Boyalarda Taşma ve Yüzme

19 Kasım 2017

Akış Olgusu:

Solventin buharlaşmasıyla, boya filminin yüzeyinde, daha yüksek yoğunluk ve yüzey gerilimiyle alttaki tabakadan daha düşük sıcaklıkta bir tabaka oluşabilir. Özellikle yüzey gerilimi farklılıkları, yer çekiminin etkisine karşı, alt tabakalardan yukarı doğru boyayı taşımak için gereken itiş gücünü sağlar.

Akış bölümü teorisine uygun olarak, bu şekil 1’de gösterildiği gibi bir hücre akımı gelişmesiyle istatistiksel olarak bölünmüş noktalardan gerçekleşir. Daha düşük bir solvent içeriğinde olan üst tabaka bozulduktan kırıldıktan  sonra, solvent bakımından zengin boya yükselerek yüzey üzerine yayılır (A-A1);

Solvent buharlaştıkça viskozite artar, yayılma eğilimi azalır ve akan kütle yerçekimi ve akıntıların etkisi altına girer. Alt tabakada akış, başlangıç noktasına döner. Bu arada, yüzey gerilimdeki bir başka farklılık ise yüzey tabakası ile alttaki kütle arasında ortaya çıkar;

Akım yeniden kıvrılarak yukarı doğru yönlenir. Solventin buharlaşması sonucunda, boya filminin yüzeyi bu durumda daha düşük olacaktır (B-B1). Yüzeye yayılırken, kütle yine yer çekimi ve akıntı etkisi altına girer.

Bu akım hareketi, viskozite, akım direncinin enerjideki farklılıklardan kaynaklanan kuvvetleri gidermek için yeterli olduğu noktaya gelene kadar tekrar edecektir.

Daha önce de belirtildiği gibi, yüzey gerilim farklılıkları, yoğunluk farklılıklarıyla desteklenen, yukarıda tanımlandığı gibi, akış durumu ana belirleyici faktör gibi gözükmektedir. Akış, var olan difüzyon akımları tarafından etkisiz duruma getirilecektir.

Düşük viskoziteli, kalın boya filmleri en belirgin hücre oluşumunu ortaya çıkmasına yol açar. Pigment parçacıkları kuşkusuz hücre akımı boyunca sürüklenirler. Eğer hareketlilikte farklılıklar varsa, bu durum pigmentlerin ayrılmasına neden olur. Arayüzde, pigmentlerden birinin birikmesi altıgenlerin kenarlarında yer alır.

Bu durumda, hangi pigmentin hücre kenarında biriktiği sorusu ortaya çıkıyor. En uygun olanı, bunların yerel olarak en düşük hareketli pigment parçacıkları olmasıdır. Bu durum, kuşkusuz bu noktaya taşınırken en az hareketli parçacıklar oldukları anlamına gelmez.

Havadaki bağıl nem oranının rol oynadığı örneğini düşünürsek, boya kütlesi içindeki titan dioksitin en hareketli olduğu, ancak su buharı nedeniyle arayüzde şiddetle azaldığı olasıdır.

Ayrıca, solventin buharlaşması, bir pigmentin ötekisinden daha fazla hareket yeteneğini etkileyebilir. Flokülasyona duyarlılık bunun önemli bir parçasıdır. Bu nedenle, hangi pigmentin hücre kenarlığında arayüzde biriktiğini söylemek zordur.

Taşma ve Yüzmenin Önlenmesi

Taşma ve yüzme olgusunu etkileyen faktörleri tartıştıktan sonra, pigmentler arasındaki hareketlilikteki farklılıkların mümkün olduğunca önlenmesi gerektiği açıktır. Hareketlilikteki farklılıkları arttıran akış olgularından da mümkün olduğunca kaçınılmalıdır.

Boya üretim yöntemlerinde, yukarıda tartışılan tüm faktörleri bu tip ideal bir biçimde elde etmek olası değildir. Örneğin, pigment seçiminde, renk, fiyat ve dış dayanım son derece etkili olur ve seçimi bu etmenler belirler. Bununla birlikte yoğunluk, polarite ve çoğunlukla partikül boyutu önemli faktörlerdir.

Bağlayıcı özel istekleri karşılamalıdır. Taşma ya da yüzme oluşursa, çoğu durumda, formülasyonun, problemin çözüleceği şekilde değiştirilmesi gerekecektir ve yine de her türlü teknik şartnameler yerine getirilir. Bununla birlikte, bu her zaman geçerli olmayacak ve ayrıca çok zaman alıcı bir faaliyet olabilir.

Bu nedenle katkı maddeleri, ortaya çıkan bir soruna hızlı ve ekonomik bir çözüm sağlayabilen vazgeçilmez araçlar olurlar.

Taşma ve yüzmenin önlenmesi için bu önlemler alınabilir:

1. Topaklanmabya da dağılma (deflokülasyon) yoluyla pigment hareketliliğinin etkisi Topaklanma (flokülasyon) derecesine bağlı olarak büyük etki sağlanabilir ve birçok durumda flokülasyon derecesinin değiştirilmesi sorunun çözümü gibi görünmektedir.

Bazı durumlarda, dispersiyonun olabildiğince iyice yapılması önemlidir. Bu, şu yöntemlerle sağlanabilir:

• Çok iyi ıslatma özellikleri olan bir rezin seçimi,
• Birden fazla rezin kullanılması durumunda uyumlu rezinin seçilmesi,
• Pigmenti en fazla ıslatan dispersiyon ajanları kullanılması, bu alanda birçok yardımcı ürün bulunmaktadır. Bu ürünler çok spesifik
olduklarından, dikkatle seçim yapılması önemlidir.

 

Piyasadaki bir takım yüzme önleyici maddeler bu ilkeye göre hareket eder. Taşma ve yüzmenin önlenmesinde bu ajanların yardımıyla çok iyi özellikler elde edilebilir. Piyasadaki birkaç yüzme önleyici ajan, coflokülasyonunu önlemiş ve çeşitli pigmentler arasındaki hareketlilikteki farklılıkları bu yolla azaltmıştır.

Buradaki en önemli nokta, katkı maddesinin doğru miktarda kullanımıdır, yoksa taşma ya da yüzme çoğalarak artabilir. Bu durum, bu tür ajanların kullanımı ile birlikte yalnızca co-flokülasyonun oluşmasını değil, aynı zamanda homo-flokülasyona uğradığını da gösterir.

Pigment (binder flokülasyonu) istenmeyen bir durumdur, çünkü bu durum arayüz tabakasında pigment birikmesine yol açabilir.

2. Akış Karakterin Etkisi

Eğer yüzme problemleri gözlemlenirse, boya filminin oluşması sırasında bir Benard hücre modelin içinde büyük bir olasılıkla akışlar gelişmiştir. Az miktarda izin verilebilir taşma olmasına karşın, yüzme oluşursa, boya filminin yüzeyinde oluşan renk farklılıklarının bir sonucu olarak boya uygun olmaz.

Eğer Benard hücre oluşumunu önlemek olası ise, yüzme tehlikesi büyük ölçüde azaltılır. Mümkün olduğunca alttaki boya kütlesine bağlı olarak arayüzde oluşan boya tabakasının yoğunluğundaki ve yüzey gerilimindeki farklılıkları azaltarak, türbülanslı akışların daha yavaş geliştiği söylenebilir.

Bu durum, bağlayıcının yoğunluğu ve yüzey gerilimi aynı olan solventleri seçerek sağlanabilir.Bu ideal duruma asla ulaşılamaz, ancak bazen önemli iyileştirmeler yapılabilir.

Solvent karışımının kompozisyonunun modifikasyonu, buharlaşma hızı ile alt tabakadan solventin difüzyon hızı arasında daha büyük bir dengeye neden olabilir ve böylece kuruyan boya tabakasındaki yüzey gerilim ve yoğunluk farklılıkları önlenmiş olur.

Solvent bileşimini, akış olgusunun önüne geçilecek şekilde değiştirmek her zaman mümkün olmayacaktır. Bu durumda yüzey gerilimi düşürücü madde genellikle bir çözüm getirebilir. Silikonlar bu açıdan etkili olabilirler.

Bununla birlikte, bu katkılar gerekli önlemlerle birlikte kullanılmalıdır, çünkü krater ve kat atılabilme ile ilgili sorunlar ortaya çıkabilir.

Silikon yağlarının, çoğu bağlayıcılarla çok sınırlı bir uyumluluğu vardır. Bunun sonucunda, arayüzeyde düşük yüzey gerilimi gösteren bir silikon yağı filmi oluşur.

Sonuçta, son kat ve alttaki boya kütlesi arasında yüzey gerilimde herhangi bir fark bulunmaması sonucu ve bir akış hareketinin gelişmesine katkıda bulunması sonucu çıkar. Solvent, üst tabakadan ayrılarak boya filminden ayrılır.

Bu durumda, arayüz tabakasının altındaki tabaka ile daha derin tabakalar arasında bir akım hareketinin gelişmesi mümkün olacaktır. Bununla birlikte, bu durum, üst tabakada renk farklılıklarına yol açmaz. Bununla birlikte, silikon yağı verildikten sonra yüzme yerine taşma oluştuğu birçok durumda saptanmıştır.

Bu durum, solventin boya filminden çıkış yoluna bağlı olarak taşmaya da yüzmenin gerçekleşeceği varsayımına götürür. Solvent, türbülans akış yoluyla boya filminden çıkarsa yüzme ortaya çıkar, eğer solvent arayüz tabakası boyunca yayılırsa, taşma ortaya çıkar.

Taşma ya da yüzmenin üstesinden gelmek için kullanılan yardımcı ürünler arasında bir yandan yüzey gerilimini düşüren katkılar ve öte yandan da pigmentin dispersiyonunu destekleyen katkılar bulunmaktadır.

Bu yardımcı ürünlerin birçok durumda çok etkili oldukları gözükmektedir. Bu nedenle, bu tür yardımcı ürünlerin taşma ya da yüzmeyi önlemek için büyük ölçekte kullanılması şaşırtıcı değildir. Bu yardımcı ürünlerin tipleri, özel olarak yüzey işlemi yapılmış kalsiyum karbonat biçiminde sunulmaktadır.

Taşıyıcı olarak kalsiyum karbonat kullanılması aktif bileşenlerin iyi bir şekilde dağılımını sağlar ve istenmeyen yan etkilerin oluşmasını engeller. Şekil 3’te böyle bir yardımcı ürünün uygulaması gösterilmektedir.

3. Yapının Modifikasyonu

Kalınlaştırıcı ya da tiksotropik ajanlar, pigment parçacıklarının hareketliliğini azaltmak için çok etkilidir. Bu katkıların akış ve parlaklık üzerindeki etkiler her zaman göz ardı edilemeyeceği için çoğu durumda bunları kullanmak imkansızdır. Bununla birlikte, bazı durumlarda, bu ajanların kullanımı iyi bir çözüm olabilir.

M. Namık Kayaalp / Kimya Mühendisi / Ecelak Boya Kimya Ltd.Şti.

Kaynakça
S. H. Bell, JOCCA. August 1952. pages 373 392.
J. Ferguson, JOCCA, August 1959. pages 529-Tl2.
G. Marwedel. Farbe und Lack, no. 1, 1968
G. Marwedel. Farbe und Lack, no. 5, 1975